CN111818268A - 一种工业窑炉图像采集装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种工业窑炉图像采集装置及方法，属于工业自动化控制领域。本发明包括电流取样模块、控制模块和拍照模块，所述电流取样模块采集工业窑电弧炉烧穿器电流的强度值，所述电流取样模块与控制模块建立连接，所述控制模块与拍照模块连接，拍照模块接收控制模块发出的指令执行拍照动作。使用本装置拍摄的视频和图片不会受到烧穿器电弧光的干扰，图像清晰，细节丰富。

Description

一种工业窑炉图像采集装置及方法

技术领域

本发明涉及一种电弧光场景的图像采集装置及方法，属于工业自动化控制领域。

背景技术

工业窑炉(例如电石炉、工业硅炉等)在冶炼工作过程中，周围工作环境恶劣，高温、粉尘、强光，安全隐患大。现在已经逐步使用远程操作设备来控制现场的冶炼工作。使用远程操作设备的工作过程中，操作人员在控制室内，无法看到现场的工作状况。这就需要采集现场的视频图像，用来监控现场的工作情况和图像分析。一些工业窑炉在出炉过程中使用烧穿器电极产生的高温电弧将炉眼烧穿。高温电弧会产生耀眼的强光，导致常规拍摄手段曝光过度，无法拍摄具有现场工作细节的图像。

因此，就需要一种在电弧强光环境中，能够避免电弧强光的干扰，拍摄出具有现场工作细节图像的装置和方法。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题，在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。

本发明的技术方案：

一种工业窑炉图像采集装置，包括电流取样模块、控制模块和拍照模块，所述电流取样模块采集工业窑电弧炉烧穿器电流的强度值，所述电流取样模块与控制模块建立连接，所述控制模块与拍照模块连接，拍照模块接收控制模块发出的指令执行拍照动作。

优选的：所述电流取样模块为电流互感器，电流互感器通过信号转换单元与控制模块连接。

优选的：所述控制模块包括中央处理器、数据存储器和输入输出单元，中央处理器上连有数据存储器和输入输出单元，所述电流取样模块和所述拍照模块通过输入输出单元与中央处理器建立连接。

优选的：所述控制模块上连接有复位模块，复位模块连在中央处理器上，复位模块用于对整个处理器进行复位操作。

优选的：所述控制模块上连接有定时开关模块，定时开关模块连在中央处理器上，定时开关模块根据需求控制中央处理器的定时开启和关闭。

优选的：所述拍照模块包括感光元件和数据存储单元，数据存储单元与感光元件连接，数据存储单元临时存储感光元件抓拍的图像数据。

优选的：所述中央处理器为STM32F407微处理器。

优选的：所述感光元件为CCD相机、CCD摄像头或CMOS图像传感器。

一种工业窑炉图像采集方法，包括以下步骤：

步骤a、电流取样模块实时的采集工业窑炉电弧烧穿器电流的强度值，并传输给控制模块；

步骤b、控制模块接收电流取样模块采集的信号，记录每个电流波峰出现的时刻，并将相邻两次波峰出现的时刻做差，得到电流的变化周期T；

步骤c、根据步骤b中获得的电流变化周期，并按照正弦波变化规律，计算出任意电流波形过零点的时刻，其计算公式是：

t_n＝n*T/2,n∈(0,+∞)

式中，t_n是第n个电流波形过零点时刻，n是过零点的计数，T是电流波形周期时间

步骤d、根据步骤c确定的电流波形过零点时刻，设定拍照开始时间和拍照结束时间，其设动公式是：

t₁＝t_n-Δt/2

t₂＝t_n+Δt/2

式中t₁是开始拍照时刻，t₂是结束拍照时刻，t_n是第n个过零点时刻，Δt是快门时间

步骤e、根据步骤d设定的拍照开始时间和拍照结束时间，控制模块控制拍照模块执行拍照作业。

本发明具有以下有益效果：本发明提供了一种电弧光场景的图像采集装置及方法，由电流取样模块采集工业窑炉烧穿器的电流值，并传递给控制模块。控制模块把电流信号整形滤波后，根据电流信号的特征计算出电流变化周期和电流过零时刻。然后根据帧率的设定，在电流零点附近时刻控制拍照模块按照设定的开门时间进行拍照。使用此装置，按照此方法拍摄的视频和图片不会受到烧穿器电弧光的干扰，图像清晰，细节丰富。

附图说明

图1为一种工业窑炉图像采集装置的连接关系图；

图2为具体实施方式三和具体实施方式三的结构框图；

图3为具体实施方式四的结构框图；

图4为具体实施方式五的结构框图；

图5为控制模块的电路连接关系图；

图6为信号转换单元的电路连接关系图；

图7为电流变化和拍照时间示意图；

图8为一种工业窑炉图像采集方法流程图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

具体实施方式一：参照图1说明本实施方式，本实施方式的一种工业窑炉图像采集装置，包括电流取样模块、控制模块和拍照模块，所述电流取样模块采集工业窑电弧炉烧穿器电流的强度值，所述电流取样模块与控制模块建立连接，所述控制模块与拍照模块连接，拍照模块接收控制模块发出的指令执行拍照动作。

电流取样模块，采集工业窑炉烧穿器电流的强度值，并把信号输出到控制模块；

控制模块，通过电流取样模块输入的电流强度值的周期性变化，计算电流的变化周期，并判断出电流为零的时刻，在电流为零点附近的区间内，控制拍照模块抓拍图像；

拍照模块，该模块根据设定的感光度、快门时间、白平衡等参数，抓拍图像，并把图像输出给上游设备。

具体实施方式二：参照图2说明本实施方式，本实施方式的一种工业窑炉图像采集装置，所述电流取样模块为电流互感器，电流互感器通过信号转换单元与控制模块连接；

电流取样模块包括电流互感器和信号转换单元，电流互感器采用穿心式结构，初级连接工业窑炉烧穿器的供电母线，采集烧穿器工作电流，次级连接信号转换单元，输出小电流信号，信号转换单元接收电流互感器输出的小电流信号，采用LM358运算放大器，把电流信号转换成电压信号输出到控制模块，信号转换单元的电路图如图6所示。输出到控制模块的电压信号为±5V。

具体实施方式三：参照图2说明本实施方式，本实施方式的一种工业窑炉图像采集装置，所述控制模块包括中央处理器、数据存储器和输入输出单元，中央处理器上连有数据存储器和输入输出单元，所述电流取样模块和所述拍照模块通过输入输出单元与中央处理器建立连接；输入输出单元接收电流取样模块输出的±5V电压信号，并传输给中央处理器，输入输出单元接收中央处理器的控制信号，并输出到拍照模块，中央处理器是可执行程序的微处理单元，其接收电流信号，转为离散数字信号，并根据本发明的方法执行程序，最终把控制信号输出到拍照模块，本实施例采用ARM架构的STM32F407微处理器，该微处理器的电路图如图5所示，数据存储器临时存放中央处理器执行程序过程中生成的临时数据。

具体实施方式四：参照图3说明本实施方式，本实施方式的一种工业窑炉图像采集装置，所述控制模块上连接有复位模块，复位模块连在中央处理器上，复位模块用于对整个处理器进行复位操作；

所述控制模块上连接有定时开关模块，定时开关模块连在中央处理器上，定时开关模块根据需求控制中央处理器的定时开启和关闭。

具体实施方式五：参照图4说明本实施方式，本实施方式的一种工业窑炉图像采集装置，所述拍照模块包括感光元件和数据存储单元，数据存储单元与感光元件连接，数据存储单元临时存储感光元件抓拍的图像数据，感光元件可以是CCD或者CMOS，数据缓存单元临时存储抓拍的图像数据，感光元件通过输入输出单元接收控制模块的拍照信号，并且把图像数据输出到上游显示设备，本实施例中拍照模块采用工业相机，5V拍照触发信号连接控制模块，千兆以太网接口连接上游显示设备；

所述感光元件为CCD相机、CCD摄像头或CMOS图像传感器。

具体实施方式六：参照图1-8说明本实施方式，本实施方式的一种工业窑炉图像采集方法，包括以下步骤：

步骤a、电流取样模块实时的采集工业窑炉电弧烧穿器电流的强度值，并传输给控制模块；

步骤b、控制模块接收电流取样模块采集的信号，记录每个电流波峰出现的时刻，并将相邻两次波峰出现的时刻做差，得到电流的变化周期T；

步骤c、根据步骤b中获得的电流变化周期，并按照正弦波变化规律，计算出任意电流波形过零点的时刻，其计算公式是：

t_n＝n*T/2,n∈(0,+∞)

式中，t_n是第n个电流波形过零点时刻，n是过零点的计数，T是电流波形周期时间

步骤d、根据步骤c确定的电流波形过零点时刻，设定拍照开始时间和拍照结束时间，其设动公式是：

t₁＝t_n-Δt/2

t₂＝t_n+Δt/2

式中t₁是开始拍照时刻，t₂是结束拍照时刻，t_n是第n个过零点时刻，Δt是快门时间

步骤e、根据步骤d设定的拍照开始时间和拍照结束时间，控制模块控制拍照模块执行拍照作业。

本实施例中的控制模块接收电流取样模块采集的信号，使用中位值滤波和移动平均等整形滤波方式，获取如图7所示的正弦电流波形。

步骤b中，控制模块接收电流取样模块采集的信号，判断波峰和波谷的方法是：

控制模块在很短的循环周期内对电流信号进行采样，并与前一时刻的电流值进行比较。如果此刻电流大于上一时刻电流，那么判断电流波形为上升期，如果此刻电流与上一时刻电流几乎相等，那么判断为波形波峰或者波谷期。当出现波峰或波谷时，如果前几个时刻都是波形上升期，那么此时出现的是波峰。

使用上述方法获取到电流信号波峰出现的时刻T1。经过电流信号波谷的时间后，控制模块检测到下一个电流信号波峰出现的时刻T2。由此可以计算出电流信号的变化周期T＝T2-T1。更进一步的，需要多次采集电流信号的变化周期并计算平均值，以获得更高的准确性。

按照正弦波的变化规律，如图1所示存在电流波形过零点的时刻。根据公式t_n＝n*T/2,n∈(0,+∞)计算出每一个电流波形过零点的时刻，式中t_n是第n个电流波形过零点的时刻，n是过零点的计数，T是电流波形周期时间，然后根据设定的快门时间Δt，在电流零点时刻附近控制拍照模块进行图像抓拍。

上述电流零点时刻附近是图7中所示t1时刻到t2时刻的时间段。更具体的计算方式是t₁＝t_n-Δt/2，t₂＝t_n+Δt/2。式中t₁是开始拍照时刻，t₂是结束拍照时刻，t_n是第n个过零点时刻，Δt是快门时间。控制模块控制拍照模块在t₁时刻开始拍照，经过Δt时间后，在t₂时刻结束拍照。在此区间内拍照，是电流最小的时间段，即电弧光最暗的时间段。拍摄的图像受电弧光干扰最小。

更进一步的，本装置拍摄的视频是一系列静态连续图像的组合。并且视频是有帧率的参数指标，即每秒钟的图像数量。所以本装置在拍照前先判断帧率是否达到了参数要求，如果帧率不够才在电流零点时刻附近控制拍照模块进行图像抓拍。具体实现方法是：根据设定的帧率F，计算在此帧率下的理论拍照间隔时间t_f＝1/F。控制模块计算下一个到来的电流过零点时刻与上一次开始拍照时刻的时间间隔t_p。如果t_p≥t_f说明帧率不满足设定，这个过零点需要拍照。如果说明帧率满足设定，这个过零点不需要拍照。

本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (9)

1.一种工业窑炉图像采集装置，其特征在于：包括电流取样模块、控制模块和拍照模块，所述电流取样模块采集工业窑电弧炉烧穿器电流的强度值，所述电流取样模块与控制模块建立连接，所述控制模块与拍照模块连接，拍照模块接收控制模块发出的指令执行拍照动作。

2.根据权利要求1所述的一种工业窑炉图像采集装置，其特征在于：所述电流取样模块为电流互感器，电流互感器通过信号转换单元与控制模块连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种工业窑炉图像采集装置，其特征在于：所述控制模块包括中央处理器、数据存储器和输入输出单元，中央处理器上连有数据存储器和输入输出单元，所述电流取样模块和所述拍照模块通过输入输出单元与中央处理器建立连接。

4.根据权利要求3所述的一种工业窑炉图像采集装置，其特征在于：所述控制模块上连接有复位模块。

5.根据权利要求3所述的一种工业窑炉图像采集装置，其特征在于：所述控制模块上连接有定时开关模块。

6.根据权利要求1所述的一种工业窑炉图像采集装置，其特征在于：所述拍照模块包括感光元件和数据存储单元，数据存储单元与感光元件连接，数据存储单元临时存储感光元件抓拍的图像数据。

7.根据权利要求3所述的一种工业窑炉图像采集装置，其特征在于：所述中央处理器为STM32F407微处理器。

8.根据权利要求6所述的一种工业窑炉图像采集装置，其特征在于：所述感光元件为CCD相机、CCD摄像头或CMOS图像传感器。

9.一种工业窑炉图像采集方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤a、电流取样模块实时的采集工业窑炉电弧烧穿器电流的强度值，并传输给控制模块；

步骤b、控制模块接收电流取样模块采集的信号，记录每个电流波峰出现的时刻，并将相邻两次波峰出现的时刻做差，得到电流的变化周期T；

步骤c、根据步骤b中获得的电流变化周期，并按照正弦波变化规律，计算出任意电流波形过零点的时刻，其计算公式是：

t_n＝n*T/2,n∈(0,+∞)

式中，t_n是第n个电流波形过零点时刻，n是过零点的计数，T是电流波形周期时间步骤d、根据步骤c确定的电流波形过零点时刻，设定拍照开始时间和拍照结束时间，其设动公式是：

t₁＝t_n-Δt/2

t₂＝t_n+Δt/2

式中t₁是开始拍照时刻，t₂是结束拍照时刻，t_n是第n个过零点时刻，Δt是快门时间

步骤e、根据步骤d设定的拍照开始时间和拍照结束时间，控制模块控制拍照模块执行拍照作业。

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